基于FPGA和BU-65170的1553B遠(yuǎn)程終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了滿足載荷與衛(wèi)星進(jìn)行可靠通信的目的，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA和BU-65170協(xié)議芯片的1553B遠(yuǎn)程終端。自行設(shè)計(jì)了用于控制BU-65170的主控制狀態(tài)機(jī)，采用16位零等待緩沖接口模式，使用單消息和雙緩沖模式進(jìn)行消息傳輸。創(chuàng)新性地引入RS 422總線與1553B總線進(jìn)行通信，方便測試過程，結(jié)果直觀可見。采用專用測試板卡Alta ECD54-1553對系統(tǒng)進(jìn)行測試，獲得預(yù)期的可靠結(jié)果。FPGA取代傳統(tǒng)CPU來控制1553B通信并集成數(shù)據(jù)傳輸功能，采用Verilog HDL硬件描述語言有利于軟件移植，縮短研發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性。
關(guān)鍵詞：1553B；FPGA；BU-65170；RS 422

1 1553B概述
MIL-STD-1553B是美國于20世紀(jì)70年提出的一種用于戰(zhàn)機(jī)的時(shí)分控制／命令響應(yīng)式總線。1553B的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它最多可以掛載32個(gè)終端，所有消息共享一條線路，通過采用冗余設(shè)計(jì)，另一條線路始終處于熱備份狀態(tài)，大大提高了可靠性。其字長20 b，數(shù)據(jù)有效長度16 b，最大信息量長度為32個(gè)字，傳輸速度為1 Mb／s，傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特Ⅱ型碼。1553B的3種終端類型為：
(1)總線控制器(Bus Controller)，總線系統(tǒng)中惟一被安排為執(zhí)行建立和啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的終端。
(2)遠(yuǎn)程終端(Remote Terminal)，子系統(tǒng)到總線的接口，在BC的控制下實(shí)現(xiàn)命令、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
(3)總線監(jiān)視器(Bus Monitor)，能記錄總線上的所有數(shù)據(jù)，方便備份和查錯(cuò)，但不參與總線通信。

由于1553B具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇等航空航天和兵器領(lǐng)域。目前，航天系統(tǒng)大多采用DDC公司的BU-61580／BU-65170協(xié)議芯片來實(shí)現(xiàn)1553B通信。BU-61580是一款多協(xié)議集成接口芯片，由兩個(gè)低功耗雙端收發(fā)器、協(xié)議邏輯、存儲(chǔ)器管理邏輯、處理器接口邏輯及4K×16 B內(nèi)置共享靜態(tài)RAM以及直接面向主處理器的緩存接口組成，能完全實(shí)現(xiàn)1553B標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的所有信息傳輸方式。BU-61580和BU-65170的區(qū)別在于前者集成了BC／RT／BM功能，后者只能實(shí)現(xiàn)RT功能。在此研制的某型號(hào)項(xiàng)目作為一個(gè)子系統(tǒng)，只要求實(shí)現(xiàn)RT功能。因此，選用了BU-65170作為1553B協(xié)議芯片。
一般采用CPU來控制BU-65170實(shí)現(xiàn)1553B通信，然而CPU只能順序地執(zhí)行命令，系統(tǒng)硬件不擴(kuò)展的情況下，難以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制。隨著航天載荷小型化的要求，數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，系統(tǒng)的運(yùn)行控制及通信，更多地采用FPGA實(shí)現(xiàn)，這樣就可以把所有功能集成在一片F(xiàn)PGA芯片中，還能實(shí)現(xiàn)代碼的重復(fù)利用，提高研發(fā)效率。本文采用Xilinx xc6slx75控制BU-65170實(shí)現(xiàn)1553B通信，同時(shí)因工程項(xiàng)目需要又用FPGA實(shí)現(xiàn)了RS422通信，這樣不僅方便測試，使結(jié)果直觀可見，還使整個(gè)系統(tǒng)事實(shí)上成為了1553B總線和RS 422總線適配器。只要稍稍修改代碼，就可以在保留數(shù)據(jù)處理的功能下將系統(tǒng)移植應(yīng)用到采用其他通信方式(如RS 232，LVDS等)的子系統(tǒng)上。

2 硬件設(shè)計(jì)
BU-65170共有70個(gè)信號(hào)管腳，其中主要的控制信號(hào)如表1所示。

Xilinx的Spartan-6系列xc6s1x75芯片擁有74 637個(gè)邏輯單元，11 662個(gè)可配置邏輯模塊，280個(gè)I／O口以及18 KB的Block RAM模塊，同時(shí)擁有豐富的時(shí)鐘管理模塊(CMT)、集成存儲(chǔ)器控制模塊等，數(shù)據(jù)速率高達(dá)800 Mb／s。采用XCF32P Flash芯片作為FPGA的PROM，使用MASTER配置模式，這樣在每次上電時(shí)程序都會(huì)寫入到FPGA中。由于FPGA的I／O口是3．3 V邏輯，而BU-65170是+5 V邏輯，所以需要采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVX3245進(jìn)行FPGA和BU-65170之間的邏輯電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。

BU-65170有4種接口模式可以選擇，采用16位零等待模式。在此模式下，F(xiàn)PGA接收到BU-65170的READYn信號(hào)為低電平后，表示D15-D00上已經(jīng)呈現(xiàn)讀取的數(shù)據(jù)，或者D15-D00上的數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入存儲(chǔ)器或寄存器。BU-65170各信號(hào)配置如表2所示。

分別采用DS26LV32AW和DS26LV31W芯片作為RS 422差分接收器和驅(qū)動(dòng)器，UART設(shè)計(jì)將在邏輯設(shè)計(jì)中詳細(xì)介紹。

3 邏輯設(shè)計(jì)
使用Verilog HDL進(jìn)行編程，在FPGA中實(shí)現(xiàn)所需的功能。邏輯總體框圖如圖3所示，下面分別對各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。